[論文レビュー] Towards molecular energy calculations on a quantum computer

B. P. Lanyon, James Whitfield+10 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2009

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、反復位相推定アルゴリズムを用いてH2分子の電子エネルギーを計算するフォトニクス量子コンピューティングの手法を提示し、高い精度と誤差耐性を達成した。量子計算と古典的計算を統合することでスケーラブルな量子化学シミュレーションのフレームワークを構築し、将来的な分子エネルギー計算における量子優位性の理論的基盤を築いた。

ABSTRACT

The fundamental problem faced in quantum chemistry is the calculation of molecular properties, which are of practical importance in fields ranging from materials science to biochemistry. Within chemical precision, the total energy of a molecule as well as most other properties, can be calculated by solving the Schrodinger equation. However, the computational resources required to obtain exact solutions on a conventional computer generally increase exponentially with the number of atoms involved. This renders such calculations intractable for all but the smallest of systems. Recently, an efficient algorithm has been proposed enabling a quantum computer to overcome this problem by achieving only a polynomial resource scaling with system size. Such a tool would therefore provide an extremely powerful tool for new science and technology. Here we present a photonic implementation for the smallest problem: obtaining the energies of H2, the hydrogen molecule in a minimal basis. We perform a key algorithmic step - the iterative phase estimation algorithm - in full, achieving a high level of precision and robustness to error. We implement other algorithmic steps with assistance from a classical computer and explain how this non-scalable approach could be avoided. Finally, we provide new theoretical results which lay the foundations for the next generation of simulation experiments using quantum computers. We have made early experimental progress towards the long-term goal of exploiting quantum information to speed up quantum chemistry calculations.

研究の動機と目的

• 古典的手法の指数的スケーリング問題に対処しつつ、量子コンピュータを用いた分子エネルギー計算の実用的量子アルゴリズムを開発すること。
• H2分子に対して最小基底でフォトニクス量子プラットフォーム上で反復位相推定アルゴリズムを実装すること。
• スケーラブルでないが実験的に実現可能な設定において、実験的誤差に対して頑健な高精度エネルギー計算を達成すること。
• 次世代の量子シミュレーション実験における量子コンピュータの利用に向けた理論的基盤を構築すること。
• 現在の量子ハードウェアの制限と、スケーラブルな量子化学シミュレーションの長期的目標の間のギャップを埋めること。

提案手法

• 本研究では、反復位相推定（IPE）アルゴリズムを用いて、フォトニクス量子プロセッサ上でH2分子の基底状態エネルギーを推定した。
• H2分子ハミルトニアンを表現するために最小基底を用い、系を2キュービット問題に簡略化した。
• 量子操作は線形光学素子を用いて実装され、単一キュービットおよび制御位相ゲートはフォトニクス干渉計によって実現された。
• 古典的計算がアルゴリズムパラメータの最適化と中間ステップの検証を支援し、ハイブリッド量子古典的アプローチを可能にした。
• デ coherent とゲート不正確性に対する耐性を高めるために、誤差低減技術が適用された。
• 理論的分析が提供され、将来的な量子ハードウェア向けにこのアプローチをより大きな分子へ一般化する基盤が示された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反復位相推定アルゴリズムは、フォトニクス量子プロセッサ上でH2の基底状態エネルギーを高精度に計算するために、実際に実装可能であるか？
• RQ2 ハイブリッド量子古典的アプローチは、ハードウェアの制限がある中でも、正確なエネルギー推定をどのように可能にするか？
• RQ3 このアプローチをより大きな分子へスケーリングする際の主な理論的および実験的課題は何か？
• RQ4 近い将来の量子シミュレーションにおいて、分子系の誤差耐性をどのように達成できるか？
• RQ5 将来的な大規模な量子化学シミュレーションを可能にするために、どのような基礎的原則を確立する必要があるか？

主な発見

• 反復位相推定アルゴリズムがフォトニクス量子プロセッサ上で完全に実装され、H2分子の高精度エネルギー推定が達成された。
• 実験は、ノイズの多い中規模量子（NISQ）デバイスにおける量子シミュレーションの実現可能性を検証する上で、実験的誤差に対して頑健であることが示された。
• ハイブリッド量子古典的フレームワークが効果的にアルゴリズム実行を支援し、スケーラビリティに欠けるにもかかわらず正確な結果を得られた。
• より大きな分子系への応用を可能にする理論的結果が得られ、この手法の一般化に向けた基盤が示された。
• 本研究は、ab initio量子化学計算に量子コンピュータを応用する上で、重要な実験的マイルストーンを達成した。
• このアプローチは、将来の故障耐性量子ハードウェアを用いたより複雑な分子のシミュレーションに向けた道筋を確立した。